《Joule》：n-type regulation of 2D perovskite interlayers for efficient perovskite-silicon tandem solar cells
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钙钛矿太阳能电池通过n型掺杂的二维中间层抑制界面缺陷和电荷复合，优化能带排列，实现33.1%效率及高稳定性。
李瑞林|张道勇|魏继尧|李彪|辛海蒙|杭鹏杰|倪正义|杨德仁|余学功
中国浙江省杭州市浙江大学材料科学与工程学院硅与先进半导体材料国家重点实验室
摘要
在倒置太阳能电池中，钙钛矿/C60界面处的界面缺陷和电荷提取不平衡会导致非辐射复合，从而限制其光电转换效率（PCE）。虽然二维（2D）钙钛矿钝化层可以减轻表面缺陷，但其固有的量子限制和较差的导电性阻碍了载流子的传输和能带对齐。在这里，我们提出了一种在2D钙钛矿中间层中进行n型掺杂的策略，以同时抑制缺陷并优化界面能量。通过将三氯化锑（SbCl3）掺入基于苯乙基铵碘化物（PEAI）的2D钙钛矿中，我们实现了2D钝化层的n型掺杂，显著提高了其电子密度，并建立了场效应以增强钙钛矿/C60界面的钝化效果。这种可控的n型调制重塑了界面能带弯曲，抑制了空穴的回流，并减少了界面处的复合。由此产生的协同效应使得载流子提取更加高效，接触损失最小，使得钙钛矿-硅串联电池的效率超过了33%（认证效率为32.56%），同时提高了运行稳定性。
引言
钙钛矿-硅串联太阳能电池通过利用硅的近红外吸收和钙钛矿的可调宽禁带（WBG），在光伏领域具有变革潜力。1,2 在倒置结构中，C60因其高电子迁移率、低寄生吸收和工艺兼容性而成为优先选择的电子传输层。3 然而，直接将C60沉积在钙钛矿上会引入一个关键瓶颈，这会加剧界面陷阱态，导致非辐射复合损失。4,5,6 传统的解决方案，如超薄绝缘层（例如LiF/MgF?），7,8 无法化学钝化这些缺陷，可能导致费米能级钉扎，从而减弱界面能带对齐；而钝化剂如铵盐或路易斯酸/碱则存在导电性差和能量调节不可控的问题。9 最近，隆基采用的双改性方法实现了34%的效率，但依赖于复杂的结构工程和图案化的LiF/乙二胺二碘化物（EDAI）钝化层，8 这凸显了迫切需要一种统一的、可扩展的界面设计，以实现缺陷抑制、电荷传输和能级对齐的协同效应。
尽管二维（2D）钙钛矿已成为原子级缺陷钝化和界面稳定性提升的理想候选材料，10,11,12 但传统方法无法解决钝化效果与电荷传输之间的固有矛盾。值得注意的是，具有可控维度的纯相2D层可以实现精确的带隙工程，而基于溶液的传统2D层沉积策略（如阳离子交换或配体辅助的表面重构）通常会形成混合维度相（n = 1–3），这在钙钛矿/C60等关键界面处会引起能带错位。13,14,15 由此产生的界面能量不均匀性阻碍了电荷传输，而2D层中的绝缘有机配体会抑制器件导电性。这些最终导致C60界面处不必要的接触损失。
在这里，我们通过构建一个n型掺杂的2D钙钛矿中间层，实现了原子级缺陷钝化和电子结构的协同优化。掺杂调控有助于重塑界面能带弯曲，从而在钙钛矿/C60异质界面处实现空穴阻挡和电子提取，16,17 这是先前混合维度或绝缘2D策略所未解决的关键进展。因此，我们制备出了一个效率为23.2%、带隙为1.68 eV的钙钛矿子电池，开路电压（VOC）为1.27 V。当将其集成到单片钙钛矿-硅串联电池中时，优化的界面使得认证效率达到了32.56%，并在连续光照下保持了90%的运行稳定性，持续时间超过1030小时。这项工作开创了2D钙钛矿的n型工程，为高效串联光伏技术提供了新的途径。
章节摘录
n型2D钙钛矿中间层的构建
传统的WBG钙钛矿薄膜一步旋涂沉积方法常常存在阳离子不平衡和快速结晶动力学的问题，导致顶部表面形成过多的PbI2沉淀物和未完全形成的钙钛矿相。18,19,20 基于苯乙基铵碘化物（PEAI）的表面重构已被广泛用于将这些残留物质转化为钝化的2D钙钛矿层，尽管其电性能较差。21,22,23 这促使我们进行了改进。
讨论
通过引入n型掺杂的2D钙钛矿中间层，我们同时解决了基于钙钛矿的光伏器件中C60/钙钛矿界面的复合瓶颈问题，并实现了效率为33.10%的硅-钙钛矿串联太阳能电池，且具有良好的重复性。这项工作极大地加深了人们对钙钛矿光电器件中界面掺杂物理机制的理解，该策略的适用范围也得到了扩展，可应用于光探测器等场景。
数据和代码的获取
支持本研究结果的数据可向联系人索取。
致谢
我们感谢国家重点研发计划（2023YFB4202504）、国家自然科学基金（U23A20354、62025403和62304201）、浙江省自然科学基金的白马湖实验室联合基金（LBMHD24E020002）、“先锋”和“领头雁”研发计划（2025C01154和2024C01092）以及中央高校基本科研业务费（226-2022-00200）的支持。
作者贡献
R.L.、D.Z.和P.H.提出了想法，设计了实验并撰写了初稿。R.L.负责器件的制备，并进行了J-V测试、EQE、SEM、PL、XPS、XRD、TRPL、KPFM和c-AFM测量。D.Z.参与了器件制备和认证工作。J.W.参与了稳定性测量。R.L.和B.L.参与了TAS和TID测试。H.X.参与了PLQY测量及相关分析。X.Y.、D.Y.和P.H.提供了资金支持。
